%0 Journal Article 
%A Mendoza García, José
%T Programming of a Zigbee MiMo coordinator to be used with a leaky-wave antenna for Smart Wireless Sensor Networks

%D 2021
%U http://hdl.handle.net/10317/10090
%X Las redes WSN, basadas en el protocolo IEEE 802.15.4 [1] e implementadas
con el estándar Zigbee [2], se usan para conectar dispositivos de bajo consumo
y con una baja tasa de transmisión de datos, pudiendo cubrir áreas de corto
alcance (del orden de los 100 metros como mucho) [3]. Bajo el concepto de
smart WSN se engloban aquellas mejoras en las redes de sensores que
permiten aumentar la eficiencia de estas, de suma importancia a la hora de
reducir el consumo de baterías por parte de los sensores [4], [5]. En la mejora
de la eficiencia general de una WSN intervienen muchos factores, como por
ejemplo comunicaciones más eficientes con menores interferencias y mejor
calidad de señal, el aumento de la cobertura radioeléctrica, la localización
automática de los dispositivos desplegados en una WSN, la seguridad o la
carga inalámbrica, entre otros.
En cualquier caso, el uso de antenas inteligentes (bien conectadas solamente
en el coordinador o también en todos los sensores) es una de las tecnologías
facilitadoras para mejorar el enlace radioeléctrico y concebir redes de sensores
más eficientes, siendo muchas las propuestas realizadas en este sentido en los
últimos diez años [6]- [11]. Todos los diseños de antenas inteligentes para
WSN se basan en el uso de antenas directivas o sectoriales reconfigurables
mediante el uso de electrónica de tipo switched beam [7], [12]-[16]. Estos
mecanismos aumentan el coste y el consumo de energía de los circuitos, así
como el procesado de señal para adaptar la antena a las necesidades de la red
de forma dinámica, lo cual es muy negativo en el contexto de redes de
sensores eficientes energéticamente y despliegue barato.
En este trabajo fin de estudio se estudiará una nueva topología para desarrollar
un coordinador Zigbee con capacidad de beaming o enfoque adaptativo. Esto
proporciona una elevada sencillez, tanto por el tipo de antena empleado como
por el procesado de señal necesario para reconfigurar el haz. El enfoque 
11
adaptativo se basa en el uso de antenas de onda de fuga (LWA) y esquemas
de salto en frecuencia.
Las LWA son muy sencillas estructuralmente y permiten generar un haz
directivo que se puede escanear en una dirección simplemente variando la
frecuencia de la señal de microondas [17]. Al igual que el prisma de Newton es
capaz de desviar cada longitud de onda en una dirección distinta en el espacio,
las LWA son estructuras radiantes pasivas que presentan esta interesante
propiedad de enfocar la energía electromagnética hacia diferentes direcciones
según la frecuencia de la señal. Si bien las LWA se han usado
convencionalmente para aplicaciones RADAR [18]-[20], más recientemente se
han propuesto en el contexto de antenas multihaz para aplicaciones de 5G en
bandas milimétricas [21]-[26], así como para comunicaciones IoT ("Internet of
Things") .
El grupo de investigación GEAT de la UPCT junto con el que he desarrollado
este TFG, ha propuesto el uso de LWAs para estimación del ángulo de llegada
en sistemas radioeléctricos ("radio direction finding") [27]-[31]. Además, ha
propuesto el uso de antenas de panel en configuración monopulso para
localización en redes WLAN de tipo Wi-Fi [32]-[35]. De la misma forma, ha
aplicado diseños de antenas LWA para localización en dichas redes Wi-Fi
[36],[37] y redes WPAN de tipo Bluetooth [38]-[42], en la banda ISM de 2.4GHz.
Más recientemente se ha propuesto también el uso de LWA para redes de
sensores pasivos de tipo RFID en la banda ISM de 900 MHz [43],[44]. En
cuanto a redes de sensores activos (WSN) de tipo Zigbee en la banda de
2.4GHz como las tratadas en este TFG, se hizo un primer intento de uso de las
LWA para Transferencia Inalámbrica de Potencia (WPT, Wireless Power
Transfer) en [45]-[47].
En cualquier caso, como se ha comentado anteriormente, el uso de LWA para
localización de sensores y dispositivos móviles en redes inalámbricas IoT, se
basa en el uso de esquemas de salto en frecuencia entre los canales
disponibles en cada tipo de red inalámbrica. Las LWAs proporcionan
inherentemente la generación de haces directivos escaneados, cuya dirección
de apuntamiento varía al cambiar la frecuencia de la señal de radio. Esta 
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propiedad se llama "frequency-beam scanning", o escaneo del haz por
variación de la frecuencia.
Así, este TFE demostrará la aplicabilidad de una LWA, que ha sido sintonizada
para enfocar y dispersar los 16 canales de Zigbee de 2,4 GHz en diferentes
direcciones , para desarrollar un smart Zigbee coordinator que mejore la
calidad de las conexiones usando técnicas de salto en canal (channel hopping)
entre los 16 canales disponibles [48] y un esquema de diversidad espacial
MiMo con dos puertos. Si bien el channel hopping en Zigbee está inicialmente
concebido para aumentar la robustez frente a interferencias [49]-[53], al igual
que la diversidad espacial [54]-[56], en este proyecto se explorará por primera
vez la diversidad espacio-frecuencial de las LWA en el contexto de una Smart
WSN. Para ello, el coordinador debe implementar tecnología MiMo y poder
realizar saltos en frecuencia, para controlar la frecuencia del canal en dos
puertos distintos de conexión a antena. Los experimentos se realizarán en un
entorno controlado (cámara anecoica).
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